Kosmische Extrembedingungen

Einsteins Optimismus und dessen mögliche Grenzen

Von Sibylle Anderl
 - 09:00
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Als Einstein vor mehr als hundert Jahren seine Allgemeine Relativitätstheorie vorstellte – eine Erweiterung des Newtonschen Gravitationsgesetzes, die den Einfluss von Massen auf die Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit beschreibt –, erschien die Möglichkeit vielfältiger empirischer Tests noch fern. Die Lichtablenkung von Sternlicht im Gravitationsfeld der Sonne konnte Einsteins Theorie schon 1919 bestätigen. Einstein selbst wird allerdings mit einem gewissen Desinteresse an experimenteller Überprüfung zitiert. Danach befragt, wie er reagiert hätte, wenn seine Theorie am empirischen Test gescheitert wäre, soll er geantwortet haben: „Da könnt mir halt der liebe Gott leid tun. Die Theorie stimmt doch.“ Bis heute hat Einstein mit seinem Selbstbewusstsein recht behalten. Die Allgemeine Relativitätstheorie hat nach ihren Anfangserfolgen in der Vorhersage der gravitativen Lichtablenkung und der Periheldrehung des Merkurs mittlerweile eine große Zahl von Präzisionstests mit Bravour bestanden.

Die „goldene Ära“ experimenteller Gravitationsforschung begann in den 1960er Jahren mit der Entdeckung von bis dahin unbekannten kosmischen Phänomenen, die neue Tests der allgemeinen Relativitätstheorie ermöglichten: Quasare (aktive Galaxienkerne, in denen ein supermassereiches Schwarzes Loch Unmengen von Materie schluckt und diese dabei zum Leuchten anregt), Pulsare (schnell rotierende Neutronensterne, die wie Leuchttürme gebündelte Strahlung zur Erde senden) und die kosmische Hintergrundstrahlung, die Wärmestrahlung des jungen Universums kurz nach dem Urknall. Zusammen mit der Entwicklung neuer Messtechnologien eröffneten diese Entdeckungen eine Fokusverschiebung hin zu den beobachtbaren Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die mit hoher Genauigkeit getestet werden konnten: von der Gravitationsrotverschiebung, die 1960 gemessen wurde, bis zum indirekten Nachweis der Abstrahlung von Gravitationswellen in Pulsar-Doppelsystemen 1979. All diese Experimente bestätigten Einsteins Vorhersagen und schlossen bestimmte Alternativen aus, allerdings spielen sich die meisten dieser Tests in einem nur eingeschränkten Zuständigkeitsbereich der Relativitätstheorie ab: demjenigen schwacher Gravitationsfelder.

Diese Einschränkung ist bedeutsam, denn heute gibt es überzeugende Gründe dafür, an der universellen Gültigkeit der allgemeinen Relativitätstheorie zu zweifeln. Mit der dunklen Energie und der dunklen Materie enthält das auf Einsteins Theorie aufbauende kosmologische Standardmodell zwei Bestandteile, deren physikalische Natur vollkommen unverstanden ist. Hier könnten theoretische Modelle, die beide Phänomene anhand modifizierter Gravitationstheorien zu erklären versuchen, einen Ausweg bieten. Gleichzeitig sperrt sich die Allgemeine Relativitätstheorie strukturell gegen eine theoretische Vereinigung mit den Theorien des Mikrokosmos. Eine Theorie der Quantengravitation scheint eine Abwandlung der Einsteinschen Theorie notwendig zu erfordern.

Neue Einsichten erhofft man sich von Tests, in denen die Relativitätstheorie im Bereich starker Gravitationsfelder auf die Probe gestellt wird. Insbesondere die Möglichkeit des direkten Nachweises von Gravitationswellen mit Hilfe der Ligo- und Virgo-Observatorien eröffnet nun erstmalig die detaillierte Untersuchung des Verhaltens von Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Die Gravitationswellenastronomie könnte damit in Kombination mit den etablierten Methoden ein neues „goldenes Zeitalter“ empirischer Gravitationsforschung einläuten, indem sie Hinweise auf die Frage liefert, wie gut die Relativitätstheorie auch unter den Bedingungen extremer Raumzeitkrümmung funktioniert. Während die bisherigen Gravitationswellenbeobachtungen keine Hinweise auf eine Abweichung von Einsteins Theorie ergeben, setzen die Physiker ihre Hoffnung insbesondere in einen Test des sogenannten starken Äquivalenzprinzips, das die Universalität des freien Falls auch für starke Gravitationsfelder ausdrückt. Die Bewegung extrem kompakter Objekte wie Neutronensterne und Schwarzer Löcher sollte im Rahmen alternativer Gravitationstheorien dagegen zusätzlichen Kräften unterworfen sein, die von der Beschaffenheit der Objekte abhängen.

Wie dieses Phänomen für den Test alternativer Theorien genutzt werden kann, indem Pulsarsignale mit Beobachtungen von Gravitationswellen kombiniert werden, haben nun Astrophysiker um Lijing Shao vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in der „Physical Review“ untersucht. Auf der einen Seite werteten sie existierende Beobachtungen von fünf Doppelsystemen aus jeweils einem Pulsar und einem Weißen Zwerg aus, um die erlaubten Parameterbereiche alternativer Gravitationstheorien einzuschränken. Auf der anderen Seite ermittelten sie, wie diese Grenzwerte durch künftige Gravitationswellen-Beobachtungen von Doppelsystenem aus Neutronensternen verbessert werden können. Dass bereits die Ligo- und Virgo-Observatorien diese Verbesserung herbeiführen werden, glaubt Shao allerdings nicht unbedingt: „Sofern wir nicht das Glück haben, dass das Advanced Ligo Experiment Ereignisse in großer Nähe zu uns beobachten wird, warten wir auf die Ergebnisse der geplanten Gravitationswellenexperimente ‚Cosmic Explorer‘ und ‚Einstein-Teleskop‘.“ Dass Einsteins Gravitationstheorie alle Tests unbeschadet überstehen wird, hält Shao für unwahrscheinlich: „Natürlich müssen wir die Allgemeine Relativitätstheorie modifizieren. Allerdings ist nicht klar wann, wo, und bei welcher Genauigkeit.“

Auch an der Goethe Universität Frankfurt bereitet man sich auf kommende Experimente vor. Dem Physiker Luciano Rezzolla wurden 80 Millionen CPU-Stunden am Supercomputer superMUC des Leibniz-Rechenzentrums in Garching für die Simulation von Neutronenstern-Doppelsystemen zugesprochen. Diese Simulationen sollen nicht nur die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie berücksichtigen, sondern gleichzeitig relativistische Hydro- und Magnetohydrodynamik sowie die notwendige Mikrophysik modellieren. Die Anstrengungen nehmen zu, Einsteins Optimismus doch noch zu erschüttern.

Quelle: F.A.Z.
Autorenbild/ Sybille Anderl
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton.
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